MOSFET開關(guān)管在零壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器內(nèi)的工作原理及應(yīng)用特性分析

作者：Antonino Gaito，Alfio Scuto

近幾年來，開關(guān)電源市場對高能效、大功率系統(tǒng)的需求不斷提高，在此拉動下，設(shè)計人員轉(zhuǎn)向?qū)ふ译娔軗p耗更低的轉(zhuǎn)換器拓?fù)?。PWM移相控制全橋轉(zhuǎn)換器就是其中一個深受歡迎的軟硬結(jié)合的開關(guān)電源拓?fù)洌軌蛟诖蠊β蕳l件下達(dá)取得高能效。本文旨在于探討MOSFET開關(guān)管在零壓開關(guān)（ZVS）轉(zhuǎn)換器內(nèi)的工作特性。

1. 前言

零壓開關(guān)移相轉(zhuǎn)換器的市場定位包括電信設(shè)備電源、大型計算機(jī)或服務(wù)器以及其它的要求功率密度和能效兼?zhèn)涞?a target="_blank">電子設(shè)備。要想實現(xiàn)這個目標(biāo)，就必須最大限度降低功率損耗和無功功率，通過提高轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率是一個可行的辦法，但是高開關(guān)頻率會導(dǎo)致開關(guān)損耗上升，這與提高能效的目標(biāo)背道而馳。有效的解決辦法是采用零壓開關(guān)（ZVS）或零電流開關(guān)（ZCS）轉(zhuǎn)換器拓?fù)洌@種方法確保開關(guān)管在狀態(tài)轉(zhuǎn)換前是零電壓或零電流，特別值得一提地是，零壓開關(guān)方法可保證開關(guān)管在導(dǎo)通前管兩端為零電壓，從而消除了開關(guān)電流和電壓波形重疊導(dǎo)致的功率損耗問題。過零開關(guān)方法有很多優(yōu)點，例如，線性控制恒頻工作、在功率電路內(nèi)整合雜散電容或電阻、低EMI電磁干擾，但是缺點也不少，例如，移相控制器設(shè)計復(fù)雜、整流管振蕩頻率和過沖現(xiàn)象、輕載條件下的軟開關(guān)損耗。最近，集成化控制器的上市降低了移相控制器設(shè)計的復(fù)雜程度，同時選擇專門的開關(guān)管可以解決輕載開關(guān)功耗問題。MOSFET的某些電特性有助于系統(tǒng)降低故障概率。本文介紹故障概率最高的開關(guān)順序。

2. 零壓開關(guān)拓?fù)浣榻B

基本移相轉(zhuǎn)換電路是由四個開關(guān)管組成，每個橋臂有兩個開關(guān)管。因為工作模式的原因，兩個橋臂的開關(guān)管不會同時改變狀態(tài)，總是一個橋臂比另一個橋臂先改變開關(guān)狀態(tài)。第一個改變狀態(tài)的通常被稱作“超前橋臂”，而另一個被稱作“滯后橋臂”。如圖1所示，開關(guān)管Q1和Q2表示“超前橋臂”，開關(guān)管Q3和Q4表示“滯后橋臂”。

圖1：移相零壓開關(guān)全橋電路

通過設(shè)定相移時間，可以控制輸出功率。具體地講，輸出功率大，相移時間設(shè)定長短一些；輸出功率小，相移時間設(shè)定長一些，這種方法可以控制開關(guān)階段。

圖2.換向順序

觀察圖2所示的信號順序，不難理解Q3和Q4開關(guān)管是在另外兩個開關(guān)管開關(guān)操作完全結(jié)束后才進(jìn)行開關(guān)操作。換句話說，“超前橋臂”開關(guān)管Q1和Q2的導(dǎo)通或關(guān)斷動作總是在“滯后橋臂”開關(guān)管Q3和Q4之前發(fā)生。因為開關(guān)順序的原因，“超前橋臂”開關(guān)管必須經(jīng)歷續(xù)流階段，而“滯后橋臂”開關(guān)管沒發(fā)現(xiàn)有這個過程。下表是開關(guān)順序表。

表1.

因為只有當(dāng)開關(guān)管兩端電壓為零時才導(dǎo)通，所以這種控制方法可以降低開關(guān)損耗。圖3所示是一個典型的移相（P-S）零壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器的電流和電壓波形。

圖3.移相ZVS FB 直流-直流轉(zhuǎn)換器典型波形

觀察圖3高亮部分，不難發(fā)現(xiàn)Q4電流信號是由兩部分組成。第一部分電流流經(jīng)開關(guān)管源極至漏極間的溝道和體效應(yīng)二極管，而第二部分電流只流經(jīng)MOSFET漏極至源極間的內(nèi)部溝道。變壓器電壓極性一變，電流方向就立即反轉(zhuǎn)。滯后橋臂開關(guān)管Q2（請查原文確認(rèn)是否有筆誤）利用這個開關(guān)順序，過零時改變開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)兩端電壓為零時開始導(dǎo)通，實現(xiàn)零壓開關(guān)操作。注意Q4開關(guān)管的信號，特別是電流信號，當(dāng)電流改變方向時，電壓降低。因為電流是由兩部分組成，所以去除體效應(yīng)二極管內(nèi)少數(shù)載流子所用的時間（trr）比典型測試時間短。少數(shù)載流子的濃度主要與重組的壽命相關(guān)。因此，推薦該拓?fù)涫褂梅聪蚧謴?fù)速度快的開關(guān)管。下面我們探討這個問題引起的潛在故障。

3. 開關(guān)管的潛在故障

如前述，在零壓開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中，MOSFET開關(guān)管Q4的內(nèi)部體二極管參與開關(guān)操作，導(dǎo)通時間由負(fù)載大小來確定。為了調(diào)整輸出電流，兩個橋臂之間的移相時間是可變的，因此，體效應(yīng)二極管導(dǎo)通時間從大功率時短時間變?yōu)檩p載短時間。

圖4.重載時的典型波形

圖5.輕載時的典型波形

讓我們比較一下這兩種情況，圖5輕載條件少數(shù)載流子重組可用時間比圖4重載重組可用時間少，可能比完成整個操作所需的時間還要短。仔細(xì)觀察這個例子，我們發(fā)現(xiàn)輕載是發(fā)生這種風(fēng)險的最關(guān)鍵的條件。

如圖6所示，紅虛線代表不同的恢復(fù)時間，表示當(dāng)沒有使用適合的器件時可能發(fā)生故障的情況。我們用三條不同的線模擬三個不同的恢復(fù)時間，其中兩條線代表安全情況，而第三條則代表可能發(fā)生故障的情況。在最后一個情況中，恢復(fù)時間不足以讓MOSFET內(nèi)部的少數(shù)載流子完全恢復(fù)。

圖6.超前開關(guān)管上的典型波形

為降低這種電應(yīng)力導(dǎo)致的故障風(fēng)險，應(yīng)選擇trr和 Qrr兩個參數(shù)較小的MOSFET開關(guān)管。我們在前面介紹了幾種解決ZVS拓?fù)涞墓收夏Ｊ降?a target="_blank">半導(dǎo)體技術(shù)，目前有多款反向恢復(fù)時間短且dv/dt耐受性強(qiáng)的MOSFET，適合更高頻率的ZVS全橋應(yīng)用。這些方法還能讓開關(guān)電源廠商提高電源系統(tǒng)的可靠性。圖6所示是超前橋臂的開關(guān)管的電流波形。我們還可以對滯后橋臂開關(guān)做類似的分析。不同于超前橋臂的開關(guān)管，滯后橋臂開關(guān)管的導(dǎo)通階段包含內(nèi)部體效應(yīng)二極管的反向恢復(fù)操作。在這種情況下，如果選用與超前橋臂相同的開關(guān)管，就不會出現(xiàn)問題（圖7），因為滯后橋臂開關(guān)管有更多的時間用于反反向恢復(fù)。

圖7.滯后開關(guān)管上的典型波形

4. 結(jié)論

本文探討了MOSFET晶體管在移相零壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器內(nèi)的潛在故障風(fēng)險。通過分析這個特定拓?fù)涞拈_關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換順序，本文重點分析了故障可能發(fā)生的關(guān)鍵工作條件，以及在這個拓?fù)鋬?nèi)對電應(yīng)力最敏感的位置。按照開關(guān)順序?qū)⑦@個拓?fù)浞譃椤俺皹虮邸焙汀皽髽虮邸眱刹糠?，本文探討了MOSFET晶體管的某些電特性，還提出了一個產(chǎn)品選型思路。在選型的時候，必須考慮超前橋臂對trr和Qrr限制要求。選擇正確的開關(guān)管可以提高系統(tǒng)可靠性，降低開關(guān)管失效可概率，取得穩(wěn)健可靠的設(shè)計。

責(zé)任編輯：gt